Панина Н.В., Слепцов В.В
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ______________________________ Московский государственный университет Приборостроения и информатики
Амурский В.Б., Гарипов В.К., Панина Н.В., Слепцов В.В.
«Оптические и оптико-электронные системы»
Методические указания по выполнению курсовой работы (для студентов специальности 1907)
Учебное пособие
Москва 2006
Амурский В.Б., Гарипов В.К., Панина Н.В., Слепцов В.В. Оптические и оптико-электронные системы. Методические указания по выполнению курсовой работы. Учеб. Пособие. Москва.: МГУПИ, 2006. - с. Методические указания предназначены для студентов приборостроительного факультета, обучающихся по специальности 200203, содержат методику проведения энергетического расчета оптико-электронного прибора, оценки дальности его действия, выбора фотодетектора, общие требования к курсовой работе и техническое задание на ее проведение. Целью данных методических указаний является помощь студентам в овладении методикой расчета фотоприемного устройства ОЭС. Рецензент: д.т.н., профессор, академик РАЭН Шкатов П.Н.
Научный редактор: д.т.н., профессор Слепцов В.В.
Рекомендуется к печати методической комиссией ф-та ПР Печатается по решению редакционно-издательского совета МГУПИ © МГУПИ, 2006
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
Возрастающая роль оптико-электронных приборов приводит к быстрому росту различных видов ОЭП, высокие тактико-технические характеристики, а в свою очередь и расширению области их применения. Все вместе это способствует бурному развитию оптико-электронного приборостроения и расширение сферы его применения. Предлагаемое методическое пособие по выполнению курсовой работы по курсу «Специальные разделы ОЭС» должно помочь студентам понять и освоить современные методы расчета и проектирования, как отдельных узлов ОЭП, так и всего прибора в целом. Оптико-электронную систему удобно представить в виде двух основных составляющих: системы первичной информации и системы вторичной обработки информации. В систему первичной обработки обычно заключают оптическую систему, анализатор изображения и приемник излучения. К системе вторичной обработки относят предварительный усилитель и все последующие схемы, обеспечивающие обработку сигнала несущего полезную информацию. Студентам предлагается провести разработку ФПУ оптико-электронного прибора пассивного типа, работающего на высотах выше 10 км по пассивным источникам теплового излучения, перемещающимся в пространстве с линейной скоростью 1200 км/ч перпендикулярного направления визирования, ограничиться системой первичной обработки информации и схемой усилителя преобразователя. Необходимо произвести энергетический расчет ОЭП, габаритный расчет ОС, оценить потери сигнала в среде распространения и в тракте ФПУ, на основе энергетического расчета сделать выбор типа фотодетектора, оценить интенсивность шумов, действующих в тракте ФПУ, провести конструктивную проработку фотоприемного блока, включая схему усилителя преобразователя. Таким образом, должен быть создан фотоприемный блок, способный выполнять свои функции ОЭС.
1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ОЭП 1.1. Структурная схема оптико-электронного прибора
Характерная особенность современных оптико-электронных систем и приборов состоит в том, что первичная информация, поступающая в них, содержится в потоке электрического излучения, а следующая обработка осуществляется как в оптических, так и в электронных устройствах. Но, практически, схемы построения многих типов ОЭП соответствует приведенной на рис.1.1, и содержат: источники излучения, среду распространения, оптическую систему, оптический фильтр, анализатор изображения, фотоприемник, усилитель-преобразователь, выходное устройство. Источник излучения.Источники излучения могут быть естественными и искусственными, создающими как полезный сигнал, несущий информацию об объекте, так и сигналы мешающие, формирующие фон. В ОЭП наряду с собственным излучением объектов используется отраженное или рассеянное объектами излучение, либо рассеянное средой излучения какого-либо другого источника. Среда распространения. Среда, в которой происходит распространение электромагнитных колебаний от излучателя до приемника излучения. Оптический фильтр. Элемент системы, обеспечивающий спектральное разделение (избирательное пропускание) оптических сигналов. Оптическая система. Набор функционально связанных элементов, выполняющих формирование изображения, расщепление, суммирования и изменение направления распространения потока излучения, пространственную фильтрацию оптических сигналов и ряд др. функций, т.е. выполняющих первичную обработку информации. Анализатор изображения или модулятор. Обеспечивает преобразование пространственного распределения освещенности в пространстве изображений во время изменения потока излучения, поступающего на фотодетектор.
Рисунок 1.1 - Функциональная схема ОЭС
Рисунок 1.2 - Распределение интенсивности излучения источников
Фотодетектор. Обеспечивает преобразование потока излучения в электрический сигнал: ток, напряжение. Усилитель, преобразователь. Обеспечивает согласование фотодетектора с электронной схемой и электронную обработку сигнала, вид которой зависит от конкретного типа ОЭС и решаемой задачи. Выходное устройство. Состав выходного устройства зависит от назначения ОЭС. По характеру решаемых задач, все многообразие ОЭС можно классифицировать на информационные, измерительные и следящие. Информационные ОЭС обеспечивают сбор, обработку, воспроизведение или запись информации о структуре и характере оптических полей в различных участках спектра. Приборы измерительного типа предназначены для измерения характеристик и параметров объектов, таких как: дальность, размеры, координаты, скорость движения и ряда др. Основными требованиями, предъявляемыми к этим системам, являются обеспечение максимальной точности измерения соответствующих характеристик и параметров. Оптико-электронные системы следящего типа, как правило, обеспечивают режим автоматического сопровождения излучающих объектов, поддержание параметров излучения на заданном уровне и измерение параметров излучения по компенсационной схеме. Характерная особенность таких систем – наличие обратной отрицательной связи с выхода системы на ее вход. Основным требованием, предъявляемым к таким ОЭС, является обеспечение максимальной дальности действия или поддержание заданного уровня регулируемого процесса.
2.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОЭП 2.1. Расчет интенсивности излучения в заданном спектральном диапазоне
Характеристики источников излучения.Одной из основных характеристик источника излучения является распределение его энергии в зависимости от длины волны, т.е. спектр излучения. В зависимости от характера распределения излучения по спектру все источники излучения можно разделить на источники с непрерывным спектром, источники с полосовым или линейным спектром и источники смешанного типа. К источникам с непрерывным распределением излучения относятся источники теплового излучения, к источникам с линейным спектром относится электрический разряд в газах (люминесцентные излучения и лазеры). ОЭП в зависимости от решаемой задачи работает либо по естественному источнику излучения (Солнце, звезды, планеты, собственное излучение объекта), либо по искусственно созданным источникам излучения. В любом случае для правильного выбора параметров ОЭП и исходных данных для проектирования необходимо знать как спектральные, так и пространственные характеристики источника излучения. Так как собственное излучение твердого тела в основном зависит только от его температуры, состава и состояния поверхности, то для характеристики излучения реальных излучателей используется излучение абсолютного черного тела, находящегося при температуре реального излучателя, для которого справедливы законы теплового излучения. Помимо распределения интенсивности излучения по спектру, характеризуемого функцией спектральной плотности энергетической светимости
где Функция Для оценки длины волны, на которой функция
Если же излучающее тело является селективным излучателем, то максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости Интегрируя спектральную плотность энергетической светимости излучения в пределах от 0 до ∞ можно перейти от качественной характеристики потока излучения к его количественной оценке, т.е. к интегральной величине энергетической светимости объекта. Если объектом является АЧТ, то
где σ = 5,673·10-8 Вт м-2 К-4. Для серого излучателя В этой формуле результирующая подынтегральная функция, как правило, не имеет аналитического выражения, и вычисление этого интеграла выполняется графическим интегрированием. В силу того, что ОЭП широко используются полосовые фильтры, часто необходимо проводить расчет плотности излучения в заданном спектральном диапазоне λ1 – λ2. Используя табличную функцию
а для селективных излучателей численным интегрированием функции Одной из основных характеристик излучающих объектов является индикатриса излучения объекта, которой называют геометрическое место концов вектора энергетической силы света излучаемого объектом. Для абсолютно черного тела это распределение подчиняется закону Ламберта. Для реальных объектов трудно построить точную индикатрису излучения по ряду причин, а по этому для инженерных расчетов пользуются упрошенным представлением формы объекта как излучателя. Объект заменяют совокупностью излучающих поверхностей площадью Sj или участков поверхностей, для которых температуру Тj и коэффициент излучения εj можно считать постоянными, элементы поверхности с малой эффективностью излучения из рассмотрения исключают, а каждую поверхность рассматривают как серый излучатель, подчиняющийся закону Ламберта. На рис.1.2 показано несколько излучателей простейшей формы и приведены их индикатрисы излучения[8]. Для j – ой поверхности, ориентированной в пространстве под углом αj, βj относительно линии визирования энергетическая светимость определяется по формуле (2.1) будет равна
где Проводя суммирование силы излучения от всех элементов, найдем ее результирующее значение в заданном направлении Пример.Построить индикатрису энергетической силы света металлической пластины, имеющей коэффициент излучения Решение. По формуле (2.2) находим длину волны Определяем аргументы
По формуле (2.4) рассчитываем плотность лучистого потока, излучаемого в диапазоне длин волн от
Считая поверхность пластины подчиняющейся закону Ламберта, находим энергетическую яркость, соответствующую заданному спектральному диапазону: Задаваясь различными направлениями, характеризуемыми углом
Таблица
Рисунок 2.1 - Индикатриса излучения пластины, наклоненной к горизонту под углом 30°
Метод графического интегрирования. Пусть требуется найти значение выражения
Т.к. Δλj для всех интервалов интегрирования приняты равными Δλ, то, умножая найденное значение суммы на Δλ,, получают значение интеграла от произведения заданных функций в диапазоне от λ1 до λ2.
Аналогичным образом проводят расчет для любых интегральных характеристик излучения по заданным графически их спектральным плотностям.
Рисунок 2.4 - Спектральные характеристики излучателя и фотоприемника
Рисунок 2.5 - Оптическая система ФПУ
2.2. Оценка спектрального коэффициента пропускания приемно-передаточного тракта 2.2.1. Распространение излучения в атмосфере
Распространение излучения в атмосфере сопровождается его поглощением парами воды, углекислым газом, озоном, метаном, рассеянием на мельчайших частицах, находящихся во взвешенном состоянии. В зависимости от состояния среды и ее физических характеристик, а также географического положения, высоты, времени года эти характеристики изменяются, меняют состав атмосферы, а, следовательно, и условия распространения оптического излучения. В диапазоне длин волн выше 1 мкм на высотах 12 км наибольшее влияние оказывает селективное поглощение молекулами водяных паров и углекислого газа. Поэтому при упрощенной оценке пропускания лучистого потока атмосферы можно воспользоваться методикой расчета изложенной в [3,8]. Коэффициент пропускания атмосферы на некоторой длине волны λ определяется как произведение коэффициентов пропускания для паров воды τВП и углекислого газа τУГ. Изменение физических характеристик среды с изменением высоты приводит к изменению коэффициента пропускания атмосферы. Этот фактор для каждой из составляющих учитывается поправочными коэффициентами, которые можно ввести, воспользовавшись графиком из литературы [8] на стр. 181. Общее выражение для оценки спектрального пропускания атмосферы на заданной высоте,
где Для расчета поглощения излучения водяным паром введено понятие количества осажденной воды, обозначаемое ω и измеряемое толщиной слоя воды (мм), которое получится, если при заданном сечении слоя весь содержащийся в атмосфере водяной пар превратить в воду. Величина ω характеризует условия поглощения излучения на трассе и может быть рассчитана по формуле
где Величина
Таблица 2.1 - Упругость насыщающих паров в зависимости от температуры воздуха
Например, при температуре воздуха В таблице 2 приложения 2 приведены спектральные коэффициенты пропускания излучения парами воды для количества осажденной воды, меняющейся от 0,1 до 1000 мм диапазона длин волн 0,5…13,9 мкм. Аналогичная таблица (таблца 3, приложение 2) составлена для спектральных коэффициентов пропускания излучения углекислым газом. Процентное содержание углекислого газа в атмосфере постоянно и составляет около 0,032%, поэтому поправку на температуру и давление вычисляют по формуле:
где Коэффициент пропускания атмосферы на некоторой длине волны представляет собой произведение коэффициентов пропускания для паров воды и углекислого газа, взятых из таблиц 2 и 3 (приложение 2), т.е.:
Рисунок 2.6 – Поправочные коэффициенты
Величину спектральных коэффициентов пропускания излучения парами воды для горизонтальной трассы на высоте Н рассчитывают по соотношению:
где С учетом коэффициента определении спектральных коэффициентов пропускания излучения углекислым газом по таблице 3 (приложение 2). Другой способ расчета коэффициентов
где высоте Н; Расчет пропускания излучения на наклонной трассе значительно сложнее, чем на горизонтальной вследствие непрерывного изменения давления воздуха. Приближенный метод заключается в разделении трассы на ряд участков и в применении к этим участкам табличных данных с введением поправки на высоту. Кроме поглощения, лучистый поток рассеивается молекулами воздуха (молекулярное рассеяние) и различными частицами, присутствующими в атмосфере - кристаллами солей, пылинками, остатками продуктов сгорания, каплями воды и кристаллами льда (аэрозольное рассеяние). Расчет коэффициентов пропускания потока с учетом аэрозольного рассеяния практически невозможен, так как для этого необходимо знать количество, размеры, форму и состав вещества аэрозольных частиц, на которых происходит рассеяние излучения. Поэтому рассеяние лучистого потока в окнах пропускания атмосферы учитывают на основании результатов экспериментальных исследований, которые показывают, что коэффициент монохроматического потока с учетом молекулярного и аэрозольного рассеяния зависит от длины волны излучения и метеорологической дальности видимости 1. Метеорологическая дальность видимости характеризует замутненность атмосферы и представляет собой наибольшую дальность видимости днем темных предметов с угловыми размерами, большими 30', проектирующихся на фоне неба у горизонта.
Таблица 2.2 - Международная шкала видимости
Значения коэффициента
Рисунок 2.7 - Экспериментальные значения спектрального коэффициента рассеяния атмосферы
Окончательно получаем выражение для спектрального коэффициента пропускания атмосферы на высоте Н: Пример.Рассчитать спектральный коэффициент пропускания атмосферы для горизонтальных трасс длиной 20 км на высоте Н=9 км при температуре воздуха у Земли te= -25°С, относительной влажности f = 70% и метеорологической дальности видимости l = 20км в диапазоне длин волн 2...6 мкм. Решение: По формуле определяем количество осажденной воды на длине 1 км: Находим количество осажденной воды для поглощающего слоя толщиной 20 Используя табл. 2, приложение 2, находим спектральные коэффициенты пропускания излучения парами воды в диапазоне длин волн 2...6 мкм (без учета поправок на высоту). Определяем коэффициенты поправок для высоты Н=9 км (рис. 2.6): По формуле Находим эквивалентные толщины поглощающего слоя атмосферы по формуле По рис.2.7 находим экспериментальные значения спектрального коэффициента Результаты расчета заносим в таблицу 2.3. По формуле
Таблица 2.3 – Результаты расчета
Рисунок 2.8 - График зависимости пропускания атмосферы
2.2.2. Пропускание оптической системы
Характеристики пропускания оптической системы
Популярное: Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... ![]() ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1172)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |